СПОСОБ УВЕЛИЧЕНИЯ СКОРОСТИ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ В ПАКЕТНОЙ СЕТИ МЕТЕОРНОЙ СВЯЗИ Российский патент 2012 года по МПК H04B7/22 

Изобретение относится к технике передачи данных и может быть использовано при построении пакетной сети сбора данных от удаленных терминалов или обмена формализованной информацией по каналам метеорной радиосвязи.

Радиолокация метеоров [1] и их представление в виде гладких моделей: недоуплотненного - в виде экспоненты и переуплотненного - в виде параболы [2] дают идеализированное представление о метеорном следе. Однако на использовании этого представления разработан ряд способов передачи информации и структур радиолиний связи. Сегодняшний уровень разработки микроЭВМ позволяет принципиально изменить структуру канала метеорной связи и способы формирования передаваемых пакетов информации.

Известен способ передачи данных в пакетной сети метеорной связи, заключающийся в том, что на центральной станции формируют и излучают сигнал запроса длительностью t₃ на получение информации, на периферийной станции принимают сигнал запроса, измеряют уровни сигнала запроса в моменты начала приема U₁ и окончания интервала t₃, его приема U₂, рассчитывают оставшуюся часть интервала t_о существования метеорного следа, задавая пороговую чувствительность радиоприемника. Затем вычисляют требуемую длительность t_ип информационной части пакета данных t_ип=t_о-t_cп, где t_cп - предварительно заданная длительность служебной части пакета данных, вычисляют объем С [бит] информационной части пакета данных C=Vt_ип, где V [бит/с] - скорость передачи информации, формируют пакет данных с объемом информационной части С, передают пакет данных в течение времени t₀, а в течение длительности интервала времени t_cп передают кодовую комбинацию, соответствующую объему информационной части пакета [3].

Недостатком данного способа являются относительно низкие пропускная способность и помехоустойчивость, так как при ухудшении качества принимаемого сигнала центральной станцией возникающие ошибки во время приема информационной части вызывают потерю части информации или повторную передачу. Данный способ не учитывает изменение концентрации метеорного следа от слабого до сильного. Указанные недостатки особенно сказываются при использовании слабых вспышек метеорных следов, где турбулентность становится определяющей, т.е. возникает неоднородность насыщения вспышки за время существования следа, приводящая к федингам и, как результат, потере связи. Отсюда неэффективное использование вспышки метеорного следа, т.к. принимается модель распада следа в виде непрерывной функции экспоненты на протяжении всего периода его существования. Фактически соотношение сигнал/шум на входе приемника принимается изначально постоянным, т.к. выходная мощность передатчика неизменна и принимается в системе в исходном техническом решении. Не является исключением наличие федингов и при сильной концентрации метеорного следа, что также может привести к потере связи. Устранение указанных недостатков известным способом, состоящим во введении избыточности в передаваемое сообщение, т.е. в помехоустойчивом кодировании на передающей стороне и в декодировании на приемной стороне, приводит к еще более неоправданному снижению пропускной способности сети, так как в ряде случаев качество принимаемого сигнала оказывается высоким (насыщенная вспышка метеорного следа) и введенная избыточность не используется. Мощность передатчика становится завышенной. Налицо энергетические затраты.

Наиболее близким к заявляемому является разработка способа передачи данных в пакетной сети метеорной связи, обеспечивающего более высокую помехоустойчивость без снижения пропускной способности сети за счет помехоустойчивого кодирования систематическим блочным кодом определенной длины на передающей стороне, оценки качества принятых информационных символов кода, приема проверочной части кода и декодирования или передачи сигнала подтверждения в зависимости от качества приема [4].

Недостатком данного способа является низкая пропускная способность сети передачи данных, особенно при вспышках метеорного следа со слабой концентрацией, когда за счет диссипации метеорного следа соотношение сигнал/шум на входе приемников становится существенно меньше U₀, что ограничивает увеличение объема передаваемой информации в пакете за счет введения значительного количества символов проверочного кода. В этом случае возрастает вероятность переспроса пакета в канале, а это приводит к задержке срочности передаваемой информации, порою до 10 мин.

Здесь, как и в [3], имеет место неэффективное использование вспышки метеорного следа, т.к. принимается модель распада следа в виде непрерывных функций экспоненты или параболы на протяжении всего периода его существования, а соотношение сигнал/шум на входе приемника принимается изначально постоянным, т.к. выходная мощность передатчика неизменна и принимается в системе в исходном техническом решении. Канал связи также не учитывает турбулентности следа метеора и его федингующие свойства [5] от недоуплотненного до переуплотненного, когда мощность передатчика или занижена, или завышена.

Значительный объем срочной информации в пакете только ухудшает характеристику такого канала связи, т.к. не используются вспышки метеорных следов в более полном объеме, особенно при существенной неравномерности насыщения следа на протяжении его существования. Отсюда при насыщенной вспышке метеорного следа также нецелесообразно работать с повышенной мощностью передатчика, т.к. энергосбережение на сети с пакетной передачей данных порою становится определяющим. А, как показывает практика, соотношение сильно и слабо насыщенных следов метеоров примерно одинаково, особенно при сильной концентрации следа, когда прибегают к аппроксимации следа метеора параболической зависимостью.

Целью настоящего изобретения является разработка способа передачи данных в пакетной сети метеорной связи, обеспечивающего более высокую пропускную способность сети за счет уменьшения влияния неравномерности насыщения метеорного следа путем включения как на приемной, так и на передающей сторонах радиопередатчиков с динамически изменяющейся выходной мощностью и введения управления линейными полосами пропускания приемных устройств в зависимости от выбранной скорости передачи информационного пакета на их входе (в соответствии с устанавливаемой выходной мощностью радиопередающих устройств, широтно-долготной ориентации трассы, времени суток, мощности радиопередатчика и чувствительности приемника), сохранения заданного качества передаваемой информации при заданной ее скорости за счет разделения пакета передаваемой информации на кадры к_j и поддержания заданного соотношения сигнал/шум и постоянства скорости на протяжении каждого кадра пакета путем измерения в конце каждого кадра пакета и за время t_з, а также сокращения времени между переспросами информации за счет использования диссипативных следов метеоров.

Поставленная цель достигается тем, что в известном прототипе - способе передачи данных в пакетной сети метеорной связи, заключающемся в том, что на центральной станции формируют и излучают сигнал запроса длительностью t_з на получение информации, на периферийной станции принимают сигнал запроса, измеряют уровни сигнала запроса в моменты начала приема U₁ и окончания интервала t_з его приема U₂, рассчитывают оставшуюся часть интервала t_о существования метеорного следа по формуле t_о=t_зln(U₀/U₂)/(U₂/U₁), где U₀ - предварительно заданное пороговое значение амплитуды принимаемого сигнала запроса, вычисляют требуемую длительность t_ип информационной части пакета данных t_ип=t_о-t_cп, где t_сп - предварительно заданная длительность служебной части пакета данных, вычисляют объем С (бит) информационной части пакета данных С=Vt_ип, где V (бит/с) - скорость передачи информации, формируют пакет данных с объемом информационной части С, передают пакет данных в течение времени t_o, а в течение длительности интервала времени t_c передают кодовую комбинацию, соответствующую объему информационной части пакета, после окончания передачи информационной части пакета передают от периферийной станции N проверочных символов, предварительно рассчитанных из условия N=V/1000·(2R/300), где R - расстояние между периферийной и центральной станцией (км); оценивают качество К принятых символов по заданному алгоритму обработки на центральной станции по принятой информационной части пакета, причем для оценки качества К принятых символов измеряют уровень сигнала U_i при приеме центральной станцией i-го символа, где i=1M, а М=С, сравнивают его с предварительно заданным пороговым уровнем U_пop, считают количество символов L, для которых выполняется условие U_i≥U_пop, а качество К принимают равным L. B последующем информационный пакет разбивают на к_j кадров с числом слов, пропорционально заданной точности кусочно-линейной функции, аппроксимирующей след метеора на заданном отрезке времени и достижении уровня сигнал/шум соответствующего уровню дискретного ряда мощности радиопередатчика. На центральной станции по принятой информационной части кадра пакета оценивают качество К принятых символов, как это решают по методике прототипа, а информационную часть каждого кадра пакета информации рассчитывают как где [бит/с] - скорость передачи информации в каждом кадре, с учетом числа проверочных символов в каждом кадре и сравнивают по длительности с из условия где и соответственно длительность служебной и информационной частей j-го кадра, по результатам чего принимают решение о необходимых увеличении или уменьшении коэффициента мощности передатчика периферийной и центральной станций и показателя x, в пределах от 1,2 до 2,0, на заданном интервале выбираемых в зависимости от времени года и ориентации канала связи по широте и долготе, времени суток, мощности передатчика, чувствительности приемника и передаче команды в служебном пакете о величине полосы пропускания линейного тракта центральной и периферийной станций, на этапе передачи квитанции подтверждения правильности принятой информации центральной станцией, при этом мощность передатчика и полосу линейного тракта центральной и периферийной станций сети выбирают на периоде действия каждого кадра информации из стандартного дискретного ряда по заданному соотношению сигнал/шум по окончании j-го кадра передачи, при сохранении изначально заданного качества информации в каждом кадре.

При достижении цели в основу регулирования мощности радиопередающих устройств центральной и периферийных станций положены принципы, приводимые в ряде источников [6-8], которые позволяют реализовать заданные динамический диапазон коэффициента n выходной мощности радиопередающих устройств и показателя нелинейной поправки x.

На Фиг.1 представлена схема обмена информацией между ведущей и ведомой - периферийной станциями связи.

На Фиг.2 представлена схема формирования j-го кадра информационного пакета для одной из станций сети. Здесь при исходных U₁₁, U₂₁, U₀, P_пер1 показан передаваемый пакет информации, - параметры окончания кадра информации и величины сигнал/шум, - число проверочных символов в кадре информации.

Алгоритм работы заявляемого способа работы поясняется следующим.

Центральная станция (ЦС) посылает сигнал запроса 1 длительностью t_з на периферийную станцию 2 (ПС). ПС, с учетом задержки распространения, принимает сигнал ЦС длительностью t_зр. Проводят измерения U₁₁ и U₂₁ и при заданном U₀, средней мощности радиопередатчика и полосы пропускания линейного тракта канала рассчитывают ориентировочный минимальный объем передаваемой информации с заданным качеством К. Здесь же на ПС проводят разбиение объема пакета передаваемой информации на кадры с числом к_j и длительностью каждого кадра а также оценку максимально возможного увеличения объема передаваемой информации на j-м шаге. Затем начинают передачу первого кадра информации по алгоритму прототипа. По окончании передачи кадра информации проводят измерение j-x параметров и продолжают передачу информации следующего кадра информации с заданной скоростью. При возникновении фединга и невозможности роста мощности радиопередатчика на j-м шаге канал связи не выключают, а продолжают работать на интервале и по его окончанию и измеренным j-м параметрам возобновляют передачу информации. При этом фазирование канала связи сохраняется за счет применения в системе на передающей и приемной сторонах высокостабильных кварцевых опорных генераторов с дрейфом фазы не более 0,5° в минуту.

Сопоставительный анализ заявляемого решения с прототипом показывает, что предлагаемый способ отличается от известного введением кусочно-линейной аппроксимации характеристики метеорного следа путем разбиения интервала времени жизни метеорного следа на кадры и отсутствием необходимости, как это принято в прототипе, i-го побитного измерения информационного сигнала, длительность которых позволяет своевременно определить наступающий провал активности следа метеора, исключив возможность переспроса информации, включении в работу канала связи метеорных следов со слабой концентрацией, установкой на ЦС и ПС радиопередатчиков с регулируемой выходной мощностью, а также в выработке команд для ЦС и ПС о расширении полосы линейного тракта радиоприемных устройств и изменения тактовых частот их генераторов с целью реализации передачи бόльших объемов информации в пакете за заданное время существования метеорного следа. Изменение коэффициента увеличения мощности передатчиков составляет максимально около ±10, что позволяет регулировать его выходную мощность от 10 Вт до ±10 кВт, а полосу пропускания приемника от 2 до 200 кГц. Обе эти характеристики устанавливаются автоматически на основании сопоставимых скоростей передачи информации и возможностей увеличения мощности радиопередатчика, исходя из условий необходимого объема передачи информации в пакете. Фактически рост мощности радиопередатчика эквивалентен поддержанию заданного постоянства соотношения сигнал/шум на входе приемника на протяжении сеанса связи. В случае фиксации наступления фединга на j-м кадре и невозможности поднять мощность передатчика до рабочего соотношения сигнал/шум система связи сохраняет синхронизм в работе без передачи кадра информации и потери сеанса связи, измеряя перед началом каждого последующего кадра и и соотношения сигнал/шум до тех пор, пока не наступит работоспособность системы. При отсутствии необходимости форсированного режима передачи информации от кадра к кадру система связи работает в штатном режиме, как изложено в прототипе. В случае возникновения насыщенной вспышки метеорного следа по измеренным параметрам, следующим за j-м кадром, система переходит на скорость передачи кадра информации, соответствующую j-му соотношению сигнал/шум с выбором соответствующей мощности радиопередатчика и полосы линейного тракта. Энергетические характеристики канала остаются практически неизменными, т.к. импульсная характеристика работы передающих устройств уменьшает его к.п.д. в среднем на доли процента. Динамическое увеличение мощности радиопередатчиков позволяет уменьшить время доставки информации за счет охвата следов метеоров со слабой активностью (бόльшей диссипацией), при сохранении ее качества.

Благодаря новой совокупности существенных признаков в способе реализована возможность использования передачи бóльших объемов информации независимо от вида вспышки метеорного следа, чем и достигается оперативность передаваемых сообщений без снижения качества пропускной способности сети.

Литература

1. E.И.Фиалко. Радиолокация метеоров. М.: Советское радио, - 1967, 110 с.

2. Справочник по радиоэлектронным системам под ред. Б.Х.Кривицкого, т.1, М.: Энергия, 1979.

3. А.с. СССР №1832392, кл. Н04В 7/22, опубл. в 1993 г., БИ 29.

4. Патент RU №2211533, кл. Н04В 7/22, от 27.08.2003, Бюл. №32.

5. Melvil S.W., Larsen J.D., Letchert R.V., Goddard W.D. The classification of meteor trails by rule based system // Trans. S.A. Inst. Electr. Eng, - №9, - 1989. - P.104-116.

6. «Радиопередающие устройства на полупроводниковых приборах. Проектирование и расчет». Под ред. Валитова Р.А. и Попова Р.А. М.: Сов. Радио, 1979, 464 с.

7. «Транзисторные радиопередатчики». Каганов В.И. изд. 2-е, перераб. и доп. М.: Энергия, 1976, 448 с.

8. «Широкополосные радиопередающие устройства». Алексеев О.В. и др. М.: Связь, 1978, 304 с.

Изобретение относится к технике связи и может использоваться в пакетной сети метеорной связи. Технический результат состоит в повышении пропускной способности сети за счет уменьшения влияния неравномерности насыщения метеорного следа. Для этого как на приемной, так и на передающей сторонах радиопередатчиков включают передатчики и приемники с динамически изменяющейся выходной мощностью и вводят управление линейными полосами пропускания приемных устройств в зависимости от выбранной скорости передачи информационного пакета на их входе, сохраняют заданное качество передаваемой информации при заданной ее скорости за счет разделения пакета передаваемой информации на кадры к_j и поддерживают заданное соотношение сигнал/шум и постоянство скорости на протяжении каждого кадра пакета путем измерения в конце каждого кадра пакета и за время t₃, а также сокращения времени между переспросами информации за счет использования диссипативных следов метеоров. 2 ил.

Способ передачи данных в пакетной сети метеорной связи, заключающийся в том, что на центральной станции формируют и излучают сигнал запроса длительностью t_з на получение информации, на периферийной станции принимают сигнал запроса, измеряют уровни сигнала запроса в моменты начала приема U₁ и окончания интервала t_з его приема U₂ рассчитывают оставшуюся часть интервала t_о существования метеорного след; по формуле t_о=t_зln(U₀/U₂)/(U₂/U₁), где U₀ - предварительно заданное пороговое значение амплитуды принимаемого сигнала запроса, вычисляют требуемую длительность t_ип информационной части пакета данных t_ип=t_о-t_сп, где t_сп - предварительно заданная длительность служебной части пакета данных, вычисляют объем С (бит) информационной части пакета данных С=Vt_ип, где V (бит/с) - скорость передачи информации, формируют пакет данных с объемом информационной части С, передают пакет данных в течение времени t_о, а в течение длительности интервала времени t_c передают кодовую комбинацию, соответствующую объему информационной части пакета, после окончания передачи информационной части пакета передают от периферийной станции N проверочных символов, предварительно рассчитанных из условия N=V/1000(2R/300), где R - расстояние между периферийной и центральной станцией (км), оценивают качество К принятых символов по заданному алгоритму обработки на центральной станции по принятой информационной части пакета, причем для оценки качества К принятых символов измеряют уровень сигнала U_i при приеме центральной станцией i-го символа, где i=1M, а М=С, сравнивают его с предварительно заданным пороговым уровнем U_пор, считают количество символов L, для которых выполняется условие U_i≥U_пор, а качество К принимают равным L, отличающийся тем, что информационный пакет разбивают на к_j кадров с числом слов, пропорционально заданной точности кусочно-линейной функции, аппроксимирующей след метеора на заданном отрезке времени и достижению уровня сигнал/шум, соответствующего уровню дискретного ряда мощности радиопередатчика, а на центральной станции по принятой информационной части кадра пакета оценивают качество К принятых символов, как это принято по методике прототипа, информационную часть каждого кадра пакета информации рассчитывают как где [бит/с] - скорость передачи информации в каждом кадре с учетом числа проверочных символов в каждом кадре и сравнивают по длительности с из условия где и соответственно длительность служебной и информационной частей j-го кадра, по результатам чего принимают решение о необходимых увеличении или уменьшении коэффициента мощности передатчика периферийной и центральной станций и показателя x в пределах от 1,2 до 2,0 на заданном интервале выбираемых в зависимости от времени года и ориентации канала связи по широте и долготе, времени суток, мощности передатчика, чувствительности приемника и передаче, команды в служебном пакете о величине полосы пропускания линейного тракта центральной и периферийной станций, на этапе передачи квитанции подтверждения правильности принятой информации центральной станцией, при этом мощность передатчика и полосу линейного тракта центральной и периферийной станций сети выбирают на периоде; действия каждого кадра информации из стандартного дискретного ряда по заданному соотношению сигнал/шум по окончании j-го кадра передачи, при сохранении изначально заданного качества информации в каждом кадре.